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　　　航空制造是制造業(yè)中高新技術(shù)最集中的領(lǐng)域，屬于先進(jìn)制造技術(shù)。美國惠普公司研制的F119發(fā)動機，通用電氣公司的F120發(fā)動機，法國的SNECMA公司的M88-2發(fā)動機，英國、德國、意大利和西班牙四國聯(lián)合研制的EJ200發(fā)動機。這些代表世界先進(jìn)水平的高性能航空發(fā)動機，它們的共同特點是普遍采用了新材料、新工藝和新技術(shù)。其中很大一部分是新型復(fù)合材料。

　陶瓷基復(fù)合材料

　　說到陶瓷，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領(lǐng)域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現(xiàn)在說到陶瓷復(fù)合材料，也可能還會有些人不清楚，認(rèn)為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關(guān)的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結(jié)合后，才使人們對這種材料的概念發(fā)生了根本的變化，這就是陶瓷基復(fù)合材料。

　　陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空發(fā)動機制造應(yīng)用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復(fù)合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動機高溫區(qū)理想的極好材料。

　　目前世界各國針對下一代先進(jìn)發(fā)動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料，并取得了較大進(jìn)展，有的已開始應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動機中。例如美國驗證機的F120型發(fā)動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國的M88-2型發(fā)動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復(fù)合材料。

　　碳/碳復(fù)合材料

　　C/C基復(fù)合材料是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。到目前為止，只有C/C復(fù)合材料是被認(rèn)為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動機進(jìn)口溫度可達(dá)1930-2227℃渦輪轉(zhuǎn)子葉片的后繼材料，是美國21世紀(jì)重點發(fā)展的耐高溫材料，世界先進(jìn)工業(yè)國家竭力追求的最高目標(biāo)。C/C基復(fù)合材料，即碳纖維增強碳基本復(fù)合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，是當(dāng)今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環(huán)境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時依然還保持著室溫環(huán)境下的強度和風(fēng)度。因此C/C基復(fù)合材料在宇航制造業(yè)中具有很大的發(fā)展前途。

　　C/C基復(fù)合材料在航空發(fā)動機上應(yīng)用的主要問題是抗氧化性能較差，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，使這一問題不斷得到解決，逐步應(yīng)用在新型發(fā)動機上。例如美國的F119發(fā)動機上的加力燃燒室的尾噴管，F(xiàn)100發(fā)動機的噴嘴及燃燒室噴管，F(xiàn)120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復(fù)合材料制造。法國的M88-2發(fā)動機，幻影2000型發(fā)動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復(fù)合材料。

　　樹脂基復(fù)合材料

　　樹脂基復(fù)合材料在航空渦扇發(fā)動機上的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過60余年的發(fā)展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進(jìn)行樹脂基復(fù)合材料研發(fā)，取得了很大進(jìn)展，已經(jīng)將其工程化應(yīng)用到現(xiàn)役航空渦扇發(fā)動機，并且還有進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用量的趨勢。

  　樹脂基復(fù)合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空發(fā)動機的冷端。樹脂基復(fù)合材料在國外先進(jìn)航空發(fā)動機上的主要應(yīng)用部位如圖所示。

　　 （1）風(fēng)扇葉片：發(fā)動機風(fēng)扇葉片是渦扇發(fā)動機最具代表性的重要零件，渦扇發(fā)動機的性能與它的發(fā)展密切相關(guān)。與鈦合金風(fēng)扇葉片相比，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片具有非常明顯的減重優(yōu)勢。除具有明顯的減重優(yōu)勢之外，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片受撞擊后對風(fēng)扇機匣的沖擊較小，有利于提升風(fēng)扇機匣包容性。

　　目前，國外已進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發(fā)動機，為B787配套的GEnx發(fā)動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發(fā)動機。1995年，裝配樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的GE90-94B發(fā)動機正式投入商業(yè)運營，標(biāo)志著樹脂基復(fù)合材料在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機上正式實現(xiàn)工程化應(yīng)用。在綜合考慮空氣動力學(xué)、高低周疲勞循環(huán)等因素的基礎(chǔ)上，GE公司又為后續(xù)的GE90-115B發(fā)動機研制了新的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，航空發(fā)動機對高損傷容限復(fù)合材料的強烈需求牽引著復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)運而生。

　?。?）風(fēng)扇機匣：風(fēng)扇機匣是航空發(fā)動機最大的靜止部件，它的減重將會直接影響航空發(fā)動機的推重比與效率。因此，國外先進(jìn)航空發(fā)動機OEM也一直致力于風(fēng)扇機匣的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。如圖所示為國外先進(jìn)航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣發(fā)展趨勢。

      （3）風(fēng)扇帽罩：因為是非主承力構(gòu)件，風(fēng)扇帽罩是航空發(fā)動機上最先使用的復(fù)合材料制造的部件之一，使用復(fù)合材料制造的風(fēng)扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結(jié)構(gòu)、更好的耐蝕性以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。

　　目前，在R.R公司RB211發(fā)動機、PW公司PW1000G、PW4000已經(jīng)采用樹脂基復(fù)合材料制備風(fēng)扇帽罩。

　　相比航空發(fā)動機主機，樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機短艙具有更廣闊的應(yīng)用空間，如圖所示。根據(jù)資料，國外廠商已經(jīng)在短艙進(jìn)氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規(guī)模使用樹脂基復(fù)合材料。

　　其他部位根據(jù)資料，在航空發(fā)動機風(fēng)扇流道板、軸承封嚴(yán)蓋、蓋板等部位也在不同程度的應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料。

　　金屬基復(fù)合材料

　　和樹脂基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料具有良好的韌性，不吸潮，能夠耐比較高的溫度。金屬基復(fù)合材料的增強纖維有金屬纖維，如不銹鋼、鎢、鎳鋁金屬間化合物等；陶瓷纖維，如氧化鋁、氧化硅、碳、硼、碳化硅等。

　　金屬基復(fù)合材料的基體材料有鋁、鋁合金、鎂、鈦及鈦合金、耐熱合金等。其中以鋁鎂合金、鈦及鐵合金為基的復(fù)合材料是目前主要選擇對象。如以碳化硅纖維增強鈦合金基體復(fù)合材料可用來制造壓氣機葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強鎂或鎂合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪風(fēng)扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件。

　　其他如風(fēng)扇機匣、轉(zhuǎn)子、壓氣機盤等零件，國外都有采用金屬基復(fù)合材料制造的實例。但是這種復(fù)合材料存在的最大問題之一是增強纖維和基體金屬之間容易發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生脆性相，使材料性能變壞。尤其是在較高溫度下長時使用，界面的反應(yīng)更為突出。目前解決的辦法是根據(jù)不同纖維、不同基體，在纖維表面加適當(dāng)涂層，以及對基體金屬進(jìn)行合金化，以減緩界面的反應(yīng)，保持復(fù)合材料性能的可靠性。